Магнитное напыление на металл

Обновлено: 18.05.2024

Пост сугубо научный, но для тех, кто не хочет вникать в тему, в конце поста будет бонус.

Не буду описывать полностью работу магнетронного распыления, литературу на данную тему можно найти легко, просто вкратце, надеюсь понятным языком, расскажу.

Ключевые понятия: магнетрон и ионная бомбардировка. Для того, чтобы получить распыленный материал, в моем случае металл, нам нужна энергия для отрыва молекул с этого металла (мишени). Представьте себе, что вы бьете молотком по земле: от ваших ударов от места контакта отлетают части поверхности, по которой вы наносите удары, в виде пыли, кусочков земли и т.д. Так и в ионной бомбардировке — от соударения ионизированных частиц (заряженных молекул газа) об поверхность мишени идет отрыв молекул металла (его распыление). Оставим аспекты: как происходит вообще ионизация, какие частицы еще участвуют в процессе. Главное донести основную суть.

Теперь на очереди — магнетрон. Что он себя представляет, понятно в целом из названия прибора. Главная фишка в том, что создаются магнитные поля для ориентирования потока электронов, точнее было бы сказать, что траектория электрона искривляется. То есть поток электронов, двигающийся от катода (нашей мишени), закручивается в цикл и как бы попадает в своего рода "ловушку". Это дает эффективную ионизацию, то есть высокую скорость распыления.

Теперь перейдем к непосредственной работе и ее результатам.

Первый металл на распыление была поставлена медь(Cu). Заснять картинку внутри камеры в процессе работы не успел, виноват, буду исправляться. Но могу заверить, что цвет ионизации зеленый. Потому как медь на самом деле зеленая, а не бронзовая (кто поймет, тот поймет), как и золото тоже зеленое.

- ток силой в 1 Ампер,

- напряжение в 450 Вольт,

- ионнообразующий газ Аргон,

- напыление длилось 3 минуты,

- рабочее давление 2-5*10^-3 мм.рт.ст.

Материал, на который напыляли медь — полиэстер.

Хорошо видно исходный материал полиэстера по белому цвету ткани, а также зону напыления медью. Смысл всего опыта в придании материалу электропроводимости. На исходном материале мультиметр не показывал значения сопротивления, а по напыленной зоне была снята величина (правда, потом уже прибор не регистрировал сопротивление, да и значение было мало). Проблема в том, что ткань образца, как видно на фото, переплетена и зоны контакта для прохождения тока просто несущественны. Частично мы решили ее так, приклеели утюгом обычный полиэтиленовую пленку поверх образца, и напылили уже на нее металл. Так как пленка полиэтилена сплошная, то и зона контакта большая, следственно есть сопротивление и ток. Но теперь появляются другие проблемы, так как такой способ не очень хорош.

Второй металл в нашей очереди - титан (Ti). Вот тут я уже успел заснять процесс напыления.

За качество изображение сразу прощу прощение, не было ни времени (смотровое окно быстро напылялось изнутри) и ни хороших средств для этого.

Этот цвет типично для титана.

- напряжение 450 В,

- напыление - 3 минуты,

- рабочее давление 2-3*10^-3 мм.рт.ст.,

- исходный материал - полиэстер.

Фотографию полученного образца я благополучно сделал, но также благополучно похоже удалил. Цвет с белого поменялся на металлический, но без характерного для металлов блеска.

И в качестве подготовки следующей работы, напылил нитрид титана (ТiN). В принципе, цвет процесса такой же голубоватый, но при увеличении напускания азота цвет менялся на лиловый (фиолетовый).

- рабочее давление 3*10^-3 мм.рт.ст,

- исх. материал - полиэстер.

По сути должны были получить золотистый цвет. А для этого нитрид титана и используют (декор), помимо увеличение мех. свойств. Но по факту получили коричневый (бронзовый) цвет. Время уже поджимало, и мы предположив, что зря повысили силу тока до 4 ампер, отправились по домам. Может кто подскажет, почему так получилось (вдруг самим интересно, если нужен будет ответ, думаю к концу недели в комментах отвечу).

И как обещал — бонус.

Все, кто смотрел "Тайну третьей планеты" узнали данного персонажа) А вообще, этот советский мультфильм один из моих любимых — великолепная музыка вызывает отдельное восхищение. И как любой маленький мальчик, смотря этот мульт, я тоже мечтал полетать среди звезд и планет.

Как мы осваивали вакуумное магнетронное напыление плёнок

Поскольку у нас прошёл относительно законченный этап в освоении технологии вакуумного напыления тонких плёнок, то у меня логично родилась мысль поделиться накопленным опытом с вами. Конечно, вам может показаться, что здесь было мало чего лежащего на самом острие науки и техники в этом движении. Однако на наш взгляд полезным может быть сам пройденный опыт.

Итак, история началась немного ранее, когда у нас появилась вакуумная камера. Путь её к нам был неблизок и может быть описан отдельным рассказом, но это, как говорится, «совсем другая история». Скажу только, что ещё раньше она приносила людям какую-то пользу в одной из лабораторий Гёттингенского университета.

Первое, на чём мы начали эксплуатировать вакуумную камеру, стало испробывание способа термического осаждения металлов на подложки. Способ прост и стар, как мир. В молибденовый тигель помещается мишень распыляемого металла, например, серебра. Вокруг него размещён нагревательный элемент. Мы использовали проволоку из вольфрамрениевого сплава, которую наматывали в виде спирали.

Полностью устройство для термического напыления выглядит следующим образом:

Оснастка для термического напыления металлов. а. В сборе (защитный экран и задвижка сняты). Обозначения: 1 – тигель, 2 – нагревательный элемент, 3 – паропровод, 4 – токоподвод, 5 – термопара, 6 – рамка для образца.

После пропускания тока (в вакуумную камеру идёт через гермовводы) спираль раскаляется, нагревает лодочку, в которой также нагревается материал мишени и испаряется. Облако металлического пара поднимается по паропроводу и окутывает тело, на которое необходимо осадить металлическую плёнку.

Сам по себе способ простой и хороший, однако есть и минусы: большое энергопотребление, трудно располагать в облаке пара поверхности (тела), на которые нужно осаждать плёнку. Адгезия тоже не самая лучшая. Наносили на разные материалы, в том числе на металлы, стекло, пластик и др. В основном — для исследовательских целей, поскольку мы только осваивали вакуумное оборудование.

Теперь настал черёд рассказать про вакуумную систему. Эксперименты мы проводили в вакуумной камере, оснащенной вакуумной системой, состоящей из роторного форвакуумного и турбомолекулярного насоса и обеспечивающей остаточное давление 9,5•10 -6 – 1,2•10 -5 мм.рт.ст.
Если на первый взгляд кажется, что она не сложная, то на самом деле это не так. Во-первых, сама камера должна иметь герметичность, необходимую для поддержания высокого вакуума. Это достигается применением герметизации всех функциональных фланцев и отверстий. Верхний и нижний фланцы-крышки имеют такие же, по-принципу, резиновые уплотнения, как и самые малые отверстия, предназначенные для установки окон, датчиков, устройств, гермовводов и др. фланцевых крышек, только диаметром гораздо большим. Например, для надежной герметизации такого отверстия

Требуется фланец, прокладка и крепеж, как на этой фотографии.

Вот этим датчиком производится измерение вакуума в камере, сигнал с него поступает на прибор, который показывает уровень высокого вакуума.

Вакуум необходимого уровня (например 10-5 мм.рт.ст.), достигается следующим образом. Вначале форвакуумным насосом откачивается низкий вакуум до уровня 10-2. По достижении этого уровня включается высоковакуумный насос (турбомолекулярный), ротор которого может вращаться со скоростью 40 000 об/мин. При этом форвакуумный насос продолжает работать — он откачивает давление из самого турбомолекулярного насоса. Последний является довольно капризным агрегатом и его «тонкое» устройство и сыграло определенную роль в этом повествовании. Мы используем японский турбомолекулярный насос фирмы Osaka vacuum.

Откачиваемый из камеры воздух с парами масла рекомендуется сбрасывать в атмосферу, поскольку мелкодисперсные капельки масла могут «забрызгать» все помещение.

Разобравшись с вакуумной системой и отработав термическое напыление мы решили опробовать другой способ нанесения пленок — магнетронный. У нас был длительный опыт общения с одной крупной лабораторией, которая нам наносила функциональные нанопокрытия для некоторых наших разработок как раз способом магнетронного напыления. Кроме того у нас имеются довольно тесные связи с некоторыми кафедрами МИФИ, МВТУ и других вузов, которые также помогали нам освоить эту технологию.

Но со временем мы захотели использовать побольше возможностей, которые предоставляет вакуумная камера.

В скором времени у нас появился небольшой магнетрон, который мы и решили приспособить для нанесения пленок.

Именно магнетронный вакуумный метод напыления тонких металлических и керамических пленок считается одним из самых производительных, экономичных и простых в эксплуатации среди всех физических методов напыления: термического испарения, магнетронного, ионного, лазерного, электронно-лучевого. Магнетрон устанавливается в один из фланцев, как удобно для использования. Однако для напыления этого еще недостаточно, поскольку он требует подведения определенного напряжения, охлаждающей воды, а также газов для обеспечения поджига плазмы.

Теоретический экскурс

Упрощённо, магнетрон устроен следующим образом. На основании, которое одновременно служит магнитопроводом, помещены сильные магниты, которые образуют сильное магнитное поле. С другой стороны магниты закрываются металлической пластиной, которая служит источником распыляемого материала и называется мишенью. На магнетрон подается потенциал, а на корпус вакуумной камеры — земля. Разница потенциалов, образуемая между магнетроном и корпусом камеры в условиях разряженной атмосферы и магнитного поля приводит к следующему. Атом плазмообразующего газа аргона попадает в действие силовых линий магнитного и электрического поля и ионизируется под их действием. Выбившийся электрон притягивается к корпусу камеры. Положительный ион притягивается к мишени магнетрона и, разогнавшись под действием силовых линий магнитного поля, ударяется о мишень, выбивая из нее частицу. Та вылетает под углом обратным тому углу, под которым в мишень попал ион атома аргона. Частица металла летит от мишени в сторону расположенной напротив нее подложки, которая может быть сделана из любого материала.

Наши вузовские друзья изготовили для этого магнетрона DC источник питания на мощность порядка 500 Вт.

Также мы соорудили систему газонапуска для плазмообразующего газа аргона.

Для размещения предметов, на которые будут напыляться плёнки, мы соорудили следующее приспособление. В крышке камеры имеются технологические отверстия, в которые можно устанавливать разные приспособления: гермовводы электроэнергии, гермовводы движения, прозрачные окошки, датчики и прочее. В одно из этих отверстий мы установили гермоввод вращающегося вала. Снаружи камеры на этот вал мы подвели вращение от небольшого электромоторчика. Установив скорость вращения барабана порядка 2-5 герц мы добились хорошей равномерности нанесения плёнок по окружности барабана.

Снизу, т.е. внутри камеры, мы укрепили на вал лёгкую металлическую корзину, на которую можно навешивать предметы. В канцелярском магазине такой стандартный барабан продаётся как корзина для мусора и стоит порядка 100 рублей.

Теперь у нас было в наличии практически всё необходимое для напыления плёнок. В качестве мишеней мы использовали следующие металлы: медь, титан, нержавейку, алюминий, сплав медь-хром.

И начали пылить. Через прозрачные окна в камеру можно было наблюдать свечение плазмы на поверхности мишени магнетрона. Так мы контролировали «на глазок» момент поджига плазмы и интенсивность напыления.

Способ контроля толщины напыления придумали достаточно простой. Размещали на барабане один и тот же кусочек фольги с замеренной площадью поверхности и измеряли его массу до и после сеанса напыления. Зная плотность напыляемого металла легко вычисляли толщину наносимого покрытия. Регулировали толщину покрытия либо изменением времени напыления, либо регулируя напряжение на источнике питания магнетрона. На этом фото видны прецизионные весы, позволяющие замерять массу образцов с точностью до десятитысячных долей грамма.

Наносили мы на различные материалы: дерево, металлы, фольга, пластики, бумага, полиэтиленовые плёнки, ткани, короче на всё, что можно было разместить в камере и прикрепить к барабану. В основном мы ориентировались на получение эффектов декоративного характера – изменение цвета или тактильного восприятия поверхности. На этих образцах органического и неорганического происхождения можно увидеть разницу в цвете до и после нанесения различных металлических плёнок.

Ещё более рельефно разница в цвете до и после напыления видна на тканях и плёнках. Здесь правый кусочек обычной полиэтиленовой плёнки – не напыленный, а левая покрыта слоем меди.

Ещё один эффект, который может быть использован для различных нужд – это проводимость тонких плёнок на подложках. На этом фото показано сопротивление кусочка бумаги (в омах), на который нанесена плёнка из титана толщиной чуть больше микрона.

Для дальнейшего развития мы выбрали несколько направлений. Один из них – улучшать эффективность напыления плёнок магнетронами. Собираемся «замахнуться» на собственную разработку и изготовление более мощного магнетрона высотой с камеру и мощностью в 2 раза больше, чем показанный в этом очерке. Также мы хотим опробовать технологию реактивного напыления, когда вместе с плазмообразующим газом аргоном в камеру подаются, например, кислород или азот и в ходе напыления плёнок на поверхности подложки образуются не чисто металлические плёнки, а оксиды или нитриды, которые имеют другой спектр свойств, нежели чистые металлические плёнки.

Вакуумное напыление «на коленке»

Вакуумное напыление (англ. physical vapor deposition, PVD; напыление конденсацией из паровой (газовой) фазы) — группа методов напыления покрытий (тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие получается путём прямой конденсации пара наносимого материала.

Различают следующие стадии вакуумного напыления:

Создание газа (пара) из частиц, составляющих напыление.
Транспорт пара к подложке.
Конденсация пара на подложке и формирование покрытия.

Испарение электронным лучом (англ. electron beam evaporation, electron beam physical vapor deposition, EBPVD).
Испарение лазерным лучом (англ. pulsed laser deposition, pulsed laser ablation).
Испарение вакуумной дугой (англ. cathodic arc deposition, Arc-PVD): материал испаряется в катодном пятне электрической дуги.
Эпитаксия молекулярным лучом (англ. molecular beam epitaxy).
Ионное распыление (англ. sputtering): Исходный материал распыляется бомбардировкой ионным потоком и поступает на подложку.
Магнетронное распыление (англ. magnetron sputtering) – в дальнейшем будем рассматривать именно его.
Напыление с ионным ассистированием (англ. ion beam assisted deposition, IBAD);
Ионно-лучевое напыление.
Сфокусированный ионный пучок.

Процесс используется для нанесения декоративных покрытий, например при производстве часов с позолотой и оправ для очков. Один из основных процессов микроэлектроники, где применяется для нанесения проводящих слоёв (металлизации). Вакуумное напыление используется для получения оптических покрытий: просветляющих, отражающих, фильтрующих.

Материалами для напыления служат мишени из различных материалов, металлов (титана, алюминия, вольфрама, молибдена, железа, никеля, меди, графита, хрома), их сплавов, соединений (SiO2,TiO2,Al2O3). В технологическую среду может быть добавлен химически активный газ, например, ацетилен (для покрытий, содержащих углерод); азот, кислород.

Химическая реакция на поверхности подложки активируется нагревом, либо ионизацией и диссоциацией газа той или иной формой газового разряда.

С помощью методов вакуумного напыления получают покрытия толщиной от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрон, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует дополнительной обработки.

Физическим вакуумом называется пространство, в котором отсутствуют частицы вещества, и установилось низшее энергетическое состояние. Однако в вакууме экспериментально обнаружены рождающиеся и тут же исчезающие виртуальные элементарные частицы, влияющие на протекающие физические процессы. В технике вакуумом называется состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Единицей измерения давления в системе СИ является 1 Па.

Когда говорят о вакууме с технической точки зрения, то речь идёт об использовании вакуума в широком диапазоне давлений – от атмосферного до 10 в минус 10 степени Па. Изменение давления на 15 порядков практически невозможно обеспечить при использовании лишь одного насоса, требуются комбинированные средства откачки, включающие в себя насосы различных типов и, следовательно, различные приборы для измерения давлений.

При большом различии в принципах действия и конструкциях, обусловленных многообразием требований к откачному оборудованию, во всех вакуумных насосах для откачки газа используют один из двух способов:

перемещение газа за счёт приложения к нему механических сил в некотором месте вакуумной системы, откуда газ выталкивается;
связывание газа путём сорбции, химических реакций или конденсации обычно в замкнутой вакуумной системе.

Рис. 1 Области действия вакуумных насосов (Источник картинки — №2, в списке источников, под этой статьёй)

В насосах объёмного типа откачка осуществляется за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры.

Действие механических молекулярных насосов обусловлено переносом газа движущимися поверхностями твёрдого тела.

Сорбционные насосы осуществляют откачку газов за счёт их сорбции на поверхности или в объёме твёрдых тел.

Действие ионно-сорбционных насосов основано на удалении газов в виде ионов за счёт электрического поля и сорбции газов на охлаждённых поверхностях.

Криогенные насосы осуществляют откачку путём конденсации откачиваемых газов и паров на поверхностях, охлаждаёмых до сверхнизких (криогенных) температур. Разновидностями криогенных насосов являются конденсационные и криосорбционные насосы.

Но вернёмся к методу магнетронного распыления.
Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещённых полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами, или, сокращённо, магнетронами (не путать с вакуумными магнетронами — устройствами, предназначенными для генерации СВЧ-колебаний).

В свою очередь, магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещённых полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока):

Технологическое значение магнетронного распыления заключается в том, что бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её. На этом эффекте основаны технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может формировать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление.

Несмотря на то что это всё может звучать для новичка достаточно непривычно и даже страшновато, тем не менее, реализация этого процесса является достаточно простой и доступной практически каждому.

Для освоения подобного процесса можно ознакомиться с рядом видео, где он показан на практике. Для электропитания установки, в основном используется эта или схожая схема, как на рисунке ниже. В ней, для простоты, удешевления и снижения силы тока — использованы обычные лампочки на 95 ватт:

Рис. 3 Простой вариант схемы питания магнетронного устройства (Источник картинки: youtube канал IRFC)

Если есть возможность применить ЛАТР, то схема будет выглядеть примерно так:

Рис. 4 Более универсальный вариант схемы питания магнетронного устройства (Источник картинки: youtube канал IRFC)

Метод позволяет любому энтузиасту прикоснуться к миру высоких технологий и получать достаточно удивительные результаты на дому, практически «на коленке», например, осуществлять хромирование — этот процесс может производиться, в частности, с помощью электрохимического способа, который заключается в использовании достаточно опасного реагента — хромового ангидрида, опасность которого заключается в его канцерогенных свойствах, и потребности сливания в канализацию достаточных количеств отработанной воды, что является явной проблемой, при коммерческом использовании, так как утилизация подобных отработанных вод будет стоить достаточно неплохих денег, если вообще удастся организовать этот процесс.

В отличие от электрохимического способа, магнетронное распыление очень интересно из-за отсутствия в процессе отработанных вод, потребности работы с канцерогенными химикатами.
На современных производствах таким способом хромируют даже достаточно крупные детали, среди которых можно перечислить такие, как: радиаторные решётки, автомобильные диски, другие крупногабаритные и малогабаритные детали:

Обработка «под золото» — ещё одно достаточно интересное применение. Оно заключается в нанесении нитрида титана, что позволяет придать изделиям износоустойчивость, а также красивый декоративный вид, «под золото»:

Рис. 5 Нанесение нитрида титана

Вообще, использование магнетронного распыления очень привлекательная технология, в целом ряде применений, и позволяет поистине раскрыть горизонты высоких технологий и науки для любого обычного обывателя, в частности, возможно прикоснуться к широко разрекламированному графену и поставить с ним ряд своих опытов, а может быть даже создать своё устройство, с применением данного материала!

Для магнетронного распыления графита и получения графена, достаточно в качестве катода использовать графит, а в качестве плазмообразующего газа — водород, который может быть легко получен с помощью электролитической установки, и подаваться непосредственно после генерации сразу в вакуумную камеру, после соответствующего осушения.

При создании плёнок вещества толщиной в микроны на рабочей поверхности, расход катода является достаточно незначительным (конкретные показатели найти не удалось, сужу по практическим опытам людей).

Это, в свою очередь, даёт нам возможность использовать в качестве катода достаточно интересные материалы, например, серебро. Это позволит нам наносить серебро тонким слоем на поверхность, например, тканей, что позволит проводить свои собственные работы в сфере бактерицидных материалов:

К слову сказать, для создания бактерицидных материалов не обязательно использовать серебро, во множестве применений бактерицидной направленности, нанесение медных покрытий является гораздо более предпочтительным, чем серебро, так как их бактерицидные свойства, в некоторых применениях, даже превосходят таковые у серебра! Например, несмотря на то, что со временем медные изделия покрываются некрасивыми окислами и разводами, изготовленные из неё дверные ручки или кухонная утварь, позволяют практически полностью уничтожать попадающие на их поверхности бактерии. В противовес этому, нержавеющая сталь не является бактерицидной, и прекрасно накапливает на себе толстые слои бактериальной плёнки (хотя, выглядит это всё красиво)!

Весьма любопытным применением магнетронного напыления является создание собственных катализаторов, для применения в разнообразных химических опытах (лично я прихожу просто в восторг от этого).

Например, мною было выявлено, что на одном известном китайском сайте, промышленной его версии (где продают станки, материалы, комплектующие и т.д.),- можно за достаточно небольшие деньги приобрести платиновую проволоку достаточной длины. Стоимость такого комплекта обойдётся в районе 3-4 тыс. руб. Далее, если использовать купленную проволоку в качестве катода, можно будет наносить платину на рабочую поверхность, что открывает просто широчайшие возможности по созданию разнообразных каталитических покрытий, при скромном расходе платины!

Некоторые энтузиасты, используя метод магнетронного распыления, умудряются даже создавать собственные самодельные полупроводниковые транзисторы!

И ещё одним любопытным применением (как уже было сказано выше) – является магнетронное травление.

Если поменять местами анод и катод (то есть, обрабатываемую заготовку крепить не на анод, а на катод) — то становится доступным ещё одно применение: магнетронное травление заготовки!

Подводя итог, можно сказать, что применение магнетронного распыления позволяет весьма плотно работать в сфере высоких технологий и проводить опыты, которые ранее казались вам совершенно нереальными и посильными только крупным лабораториям!

Однако, в массе своей, самодельные магнетронные устройства, широко представленные в сети, действуют без каких-либо измерительных систем (не включая, измерение напряжения и тока). Таким образом, видится целесообразным, добавление в конструкцию магнетронного устройства, как минимум, измерителя величины вакуума, — для большей прогнозируемости результата.

Для этого, можно было бы использовать следующие типы измерительных устройств:

▍ Тепловой вакуумметр.

Принцип действия термопарных вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от молекулярной концентрации (или давления). Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре.

Металлическая нить нагревается в вакууме путём пропускания электрического тока.

Из курса молекулярной физики известно, что в плотном газе (высокое давление) теплопроводность не зависит от давления.

При понижении давления уменьшается теплопроводность газа, соответственно, возрастает температура подогревателя и увеличивается термо-э.д.с. При низких давлениях, когда средняя длина свободно пробега молекул больше среднего расстояния между нагретым телом и
стенками вакуумметра, теплопроводность газа пропорциональна молекулярной концентрации (давлению).

Преобразователь (рис. 6) представляет собой стеклянный или металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован подогреватель, на двух других вводах крепится термопара, изготовленная из хромель-копеля или хромель-алюмеля. Термопара соединена с подогревателем, который нагревается током, его можно регулировать реостатом и измерять миллиамперметром. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термо-э.д.с., значение которой показывает милливольтметр.

Рис. 6 Схема термопарного вакуумметра (Источник картинки — №2, в списке источников, под этой статьёй)

Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Калибровка термопарной лампы (установка тока подогревателя), подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с
последним делением шкалы. При этих условиях согласно градуировочной кривой термопарного манометрического преобразователя можно по показаниям милливольтметра определить давление в вакуумной системе.

▍ Электронный ионизационный вакуумметр

Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о давлении.

Рис. 7 Схема ионизационного вакуумметра (Источник картинки — №2, в списке источников, под этой статьёй)

Ионизация молекул газа производится электронами, эмитируемыми термокатодом и ускоряемыми электрическим полем электрода, на который подаётся положительный потенциал относительно катода.

В стеклянном баллоне смонтирована трёхэлектродная система, состоящая из коллектора ионов, анодной сетки и прямонакального катода. На анодную сетку подаётся напряжение +200 В относительно катода, а на цилиндрический коллектор −50 В. Анодная сетка выполнена из вольфрамовой проволоки в виде спирали. При прогреве преобразователя и его обезгаживании по спирали пропускается ток 3А. Вольфрамовый катод преобразователя испускает электроны, которые ускоряются электронным полем и движутся к анодной сетке.

Часть электронов пролетает в пространство между анодной сеткой и коллектором. Так как коллектор имеет отрицательный потенциал относительно катода, электроны останавливаются и начинают движение обратно к анодной сетке. В результате у сетки колеблются электроны,
причём, прежде чем попасть на нее, электроны совершают в среднем 5 колебаний. При столкновении электронов с молекулами газа происходит ионизация молекул. Образовавшиеся положительные ионы, попадая на коллектор, создают в его цепи электрический ток. Как показывает опыт, при достаточно низких давлениях ионный ток коллектора прямо пропорционален давлению газа.

Таким образом, для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную преобразователя.

Основные недостатки термоэлектронных ионизационных вакуумметров связаны с применением в манометрических преобразователях горячего катода, являющего источником электронов.

Горячий катод разрушается при резком повышении давления и имеет низкий срок службы при относительно высоких давлениях. Кроме того, наличие горячего катода ограничивает нижний предел измеряемых давлений.

▍ Магнитный электроразрядный вакуумметр

Одним из путей, позволяющим сдвинуть границу измерения в сторону более низких давлений, может быть увеличение чувствительности манометра. Для этого необходимо, чтобы электроны проходили в пространстве ионизации по возможности большие расстояния до момента их попадания на коллектор электронов. Тогда вероятность ионизации молекул газа этими электронами значительно возрастает, что приведёт к увеличению чувствительности манометра. Наиболее простым способом увеличения длины пути электронов в пространстве ионизации является использование магнитного поля, воздействующего на электроны.

Рассмотрим расположение электродов, предложенное Пеннингом. Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

Рис. 8 Схема магнитного электроразрядного вакуумметра (Источник картинки — №2, в списке источников, под этой статьёй)

Манометр имеет катод, которым является корпус 1, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создаётся постоянным магнитом 3 магнитное поле с индукцией 0,05-0,2 Тл. Через балластный резистор на анод подаётся высокое положительное напряжение порядка 2,5-3 кВ.

Разряд поддерживается между анодом и катодами, соединёнными электрически и расположенными по обе стороны от анода. Равномерное магнитное поле, параллельное оси системы, препятствует немедленному уходу на анод электронов. Из-за большой длины пути электрона сильно повышается вероятность ионизации даже при низких давлениях газа.

Образующиеся в результате ионизации молекул электроны движутся, как и первичные электроны, тоже по спиральным траекториям и, в конце концов, после совершения актов ионизации попадают на анод. Вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда. Таким образом, благодаря магнитному полю и специальной конструкции электродов тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и катодом, что позволяет измерять низкие и сверхнизкие давления газа.

Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления до 10 в минус 10 степени Па.

Недостатки: данные вакуумметры имеют меньшую точность измерения давления, нуждаются в периодической чистке.
Достоинства – простота конструкции и отсутствие горячего катода. Из-за этого вакуумметры могут быть включены при любом давлении.

Установка ионно-плазменного (магнетронного) напыления. Часть 1 ⁠ ⁠

Здравствуйте беспокойные умы. Сегодня речь пойдет об установке магнетронного напыления, полностью спроектированной и изготовленной своими руками.

Для начала я вкратце постараюсь ответить, для чего нужны подобные установки и что же такое, ионно-плазменное распыление.

Мишень — это тот материал, который распыляется.

Подложка — это, то на что происходит напыление.

Установки такого рода позволяют формировать на подложках тончайшие слои токопроводящих материалов (в основном металлов). В качестве подложек может использоваться как токопроводящий, так и диэлектрический материал. А для того чтобы сформировался нанослой, например какого либо металла на подложке, требуется сначала хорошенько атаковать металл плазма-образующими ионами, для этого используют зажжение плазмы тлеющего разряда при пониженном давлении и магнетрон в качестве ловушки для электронов.

Давайте рассмотрим простейшую схему магнетрона и его работу, и вы поймете, почему он является ловушкой (постараюсь без особой научности, но думаю, что многие будут против, так как некоторые моменты без этого не объяснить, но я постараюсь).

Классический тлеющий разряд загорается при постоянном токе, и ток течет от анода к катоду. Катодом является плоская мишень, под которой находится кольцевой магнит. Электроны летящие от катода, ионизируют газ в объеме, ионы которого попадают в мишень, из нее выбивают атомы которые вновь сталкиваются с электронами, тем самым их часть ионизируется… В общем образуется электронная лавина, которая закручивается магнитным полем и не дает им после столкновений улететь, тем самым магнит удерживает электроны и при этом увеличивается образование атомов, которые осаждаются на подложке, тем самым формируя пленку.

А теперь от теории к практики. Так как я занимаюсь различными плазмохимическими технологиями при атмосферном давлении, то через какое-то время возник интерес и к пониженному давлению. Источник питания тлеющего разряда у меня уже имелся в наличии, его я сделал давно. И после покупки вакуумного насоса, начались эксперименты, которые выявили некоторые трудности при работе с пониженным давлением.

Подводя итоги этой части статьи, можно сказать, что работа движется, получается немалый опыт и дополнительные знания. На данный момент, готов корпус в железе, он будет покрашен, после чего начнется сборка.

Статью специально не стал раздувать, потому что в роликах многие вопросы освещены, а если нет, то в комментариях я постараюсь на все ответить.

P.S. Вдруг не знаете или не слышали :). Для напыления хороших плёнок приходится добиваться реально хорошего вакуума вплоть до 10^-5 Па. Иначе, допустим при распылении алюминия или титана, получится слишком большая концентрация кислорода в плёнке, что негативно скажется на её электрофизических параметрах. На промышленном оборудовании такое давление получается благодаря двухступенчатой откачке с помощью форвакуумных (масляных, мембранных, сухих-механических и других насосов) и более мощных турбомолекулярных/креогенных насосов. Для получения такого глубокого вакуума применяются различные гелиевые течеискатели. В буквальном смысле любая пылинка на уплотнителе может дать потерю давления в 100 раз. Также для создания вакуумной камеры применяются исключительно слабогазящие материалы (нержавейка, алюминий, никакой оцинковки). Чтобы материалы "отгазились" перед напылением плёнок для улучшения вакуума используются системы прогрева поверхности камеры.

Работаю почти год эникейщиком в сфере всей этой фигни. Бесконечный сериал "в поисках рядового Вакуума" ;)

О, этож гидроэлектрический регулятор магнитосферы, неси его в гекко

Вопросы говоришь. Дайте-ка собраться с мыслями.

- как контролируете толщину напыления?

- что за насос\ы, какой вакуум?
- искусство ради искусства или практическое применение?

- объём камеры, полезная площадь?
- что пробовали пылить?

- ток и напряжение?

- что думаете на счёт напыления путем расплавления мишени электронным лучём?

Вопросов конечно много:
-собираетесь ли для контроля техпроцессом вставлять какой нибудь датчик давления?
-красная колбочка-это пластик?!
Самые интересные вопросы уже задали)

А для каких целей это всё делается и планируется применять?

шикарно, во время активации девайса возите его на крыше авто

Чувак, изобрети уже какой-нибудь дешевый способ получать солнечные батареи дома, путем напыления кремния или чего-нибудь там :)

Интересными всякостями занимаешься, а это по работе или хобби?

Откуда берутся атомы?⁠ ⁠

Материя в том виде, как она есть и известна нам, состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Комбинации атомов порождают целостные материалы, а атомы разных элементов отличаются друг от друга по ряду параметров.

Сами атомы тоже состоят из субатомных частиц, о которых я уже многократно рассказывал на канале. Но наиболее частый вопрос тут - это не как устроен атом, а откуда вообще атомы берутся?

Мы оказываемся тут где-то на границе мироздания. Нужно или принять, что всё существовало вечно, или допустить что не из чего вдруг родились первые колебания некоторой субстанции (будь то эфир или квантовое поле сейчас неважно), или же просто проанализировать технический характер появления материальных частиц. Давайте рассмотрим появления атома, исходя из имеющихся научных представлений.

Кстати, следующий вопрос, который тут напрашивается - появляются ли новые атомы или вся материя была создана один раз и теперь постоянно превращается из одного варианта в другой, а её количество определяется законом сохранения? Это интересный вопрос, но как говаривал один усатый дядька - "это уже совсем другая история".

Про природ материи как таковой советую посмотреть мой ролик на тубе. Отчасти там есть ответ на рассматриваемый вопрос.

Появление атомов в научных фильмах

В фильмах от Discovery обычно повествование строится следующим образом:

В первые три минуты существования Вселенной образовались ядра атома водорода - это простейший и легчайший атом. Следом за ним образовались ядра атома гелия. Остальные атомы образовались путём их соединения при повышенной температуре.

Вселенная после появления достигла температур, при которых стали происходить процессы захвата отрицательно заряженных электронов массивными протонами. Это формировало тот атом, который мы привыкли видеть.

После появления простых элементов, традиционного водорода и гелия, появляются более крупные элементы. Они образуются преимущественно в результате столкновения более мелких элементов, что известно как ядерный синтез. Столкновение с нужным количеством энергии рождает новые частички.

Некоторые типы атомов образуются в результате разложения очень больших нестабильных атомов. Этот процесс распада на части известен как ядерное деление.

Вроде бы и можно считать это некоторым ответом, но информации слишком мало. Например, откуда взялись сами протоны, нейтроны и даже электроны?

Откуда взяли запчасти?

Ещё Ломоносов исходил из того, что, говоря современным языком, в силу научного незнания мы должны принять вечное существование субатомных частичек. Но физики всё же высказывают разные варианты механизма появления субатомных частичек.

Многие считают, что во главе угла стоял электрон, который стал базой для формирования более сложных частиц. Тут уместно отметить, что по существующим сейчас представлениям сам электрон является не материей в прямом смысле этого слова и не может быть представлен, как мячик, а является флуктуацией волновой функции.

Иными словами - электрон есть энергия. Что приводит к банальному выводу - любая материя состоящая из атомов является энергией в определенной её форме и сам атом появился как результат взаимодействия энергии с пространством. Про это подробно рассказывается в моей заметке про отличие модели атома Шрёдингера.

Как сами электроны могли стать базой для появления атома?

По модели формирования протонов и нейтронов из электронов по мере увеличения их концентрации под действий внешних воздействий увеличивается энергия электронов, что и приводит к формированию субатомных частиц и потом уже самих атомов.

Этот процесс по-научному принято именовать конденсацией материи. Говоря просто - существовала плазма из которой конденсировались первые частички под действием огромного давления и высокой температуры. После формирования субатомных частичек закрутился карусель и пошёл бесконечный процесс превращения одного в другое. Частичек было огромное изобилие. Среди них и такие специфические, как например, нейтрино.

Когда некоторое количество материи образовалось и механизм был уже запущен, естественные процессы типа диффузии, привели нас к той материи и тому разнообразию атомов, которые мы получили сегодня. Правда тут ещё стоило бы обсудить сразу и темную материю.

Ну а всех, кто дочитал статью, приглашаю подписаться на мой канал в телеге :)

Откуда берётся отражение?⁠ ⁠

Из лекции А.Чирцова:

Откуда берётся изображение девушки в зеркале когда она смотрится в зеркало? Это сложный вопрос. Нет, ну конечно лучи света отражаются, но мы же знаем, что никаких лучей света нет, это выдумка. А есть электромагнитные волны. Мы конечно будем рассматривать не пакет волн которые бегут от девушки во все стороны, а всего лишь одну плоскую монохроматическую волну.

И вот это зеркало. Представим себе, что бежит плоская монохроматическая волна. Я её нарисую по школьному в виде косинусоиды. Вот она дошла до зеркала. И что дальше? За зеркалом есть свет? Нет. Поэтому вроде бы волна должна на зеркале оборваться. Чушь. На зеркале волна оборваться не может. Потому что зеркало состоит из атомов, а атом состоит из ядра. А если мы увеличим ядро до такого размера (показывает примерно 2 см), то электрон надо будет нарисовать где-то в районе Невского проспекта. А между ними пусто. Поэтому зеркало это практически вакуум. И поэтому волна от девушки пройдёт сквозь зеркало как через вакуум. Это и есть вакуум.

Всё дело в том, что в зеркале есть слой металла, в котором могут бегать свободные электроны.И вот тогда под действием этого меняющегося поля электроны в каждой точке зеркала начинают бегать взад вперёд. И каждый электрон излучает вот это ломающееся поле которое мы рисовали и излучает электромагнитные волны вот так - в разные стороны. И все эти волны, которые излучают электроны сюда, складываются в волну, которая идёт точно в противофазе от падающей волны. И в результате по ту сторону зеркала мы наблюдаем темноту. Не из-за того что свет туда не прошёл, а из-за того что электроны сгенерировали ещё одну волну, которая полностью погасила исходную. За зеркалом распространяется больше света, чем падает на него. Только эти два излучения друг друга гасят. Из симметрии понятно, что электроны излучают не только сюда. И в обратную сторону. И бежит ещё одна волна симметричная этой, но в другую сторону. И вот теперь смотрите, здесь исходная и гасящая волны бегут в одну сторону и в сумме дают ноль. А здесь падающая бежит сюда. а эта бежит в другую сторону и нуля не получается. Так формируется отражённая волна.

Поэтому дорогие девушки, когда вы смотритесь в зеркало, знайте, что там находитесь вовсе не вы. Вы видите вторичные электромагнитные поля, которые генерируются электронами, которые раскачены отражённым от вас светом. Вы нужны только для того чтобы раскачать электроны.

Если убрать вас от зеркала за время меньшее чем 10 в минус десятой степени секунды, электроны ещё некоторое время будут качаться и ваше изображение будет жить в зеркале. А если вас убрать, а электроны как-нибудь заставить качаться как они качались при вас, то ваше изображение заморозится в зеркале. Такие технологии существуют. Это называется голография.

Кстати, свет не проходит сквозь кирпичную стенку только потому что электроны стенки раскачиваются и генерируют гасящую волну. Но в течение примерно 10 в минус 10 степени секунды электроны стенки не успевают раскачаться и поначалу свет проходит сквозь стенку. Другое дело, что лампочка разгорается медленно, она разгорается одну десятую секунды. Пока она разгорается стенки теряют прозрачность. Современные лазерные импульсы имеют фронт порядка 10 в минус 16 степени секунды, что примерно на 3-4 порядка меньше, чем время раскачивания атомов и поэтому короткие и сверхкороткие импульсы проходят сквозь стенку. Это хорошая идея лазерной томографии.

Магнетронное распыление

Магнетронное распыление – технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона.

Описание:

Магнетронное распыление – технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии называют магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами.

Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона.

Принцип магнетронного распыления основан на образовании над поверхностью катода кольцеобразной плазмы в результате столкновения электронов с молекулами газа (чаще всего аргон). Мишень устройства магнетронного распыления является источником распыляемого материала. Положительные ионы, образующиеся в разряде, ускоряются в направлении катода – мишени, бомбардируют его поверхность, выбивая из неё частицы материала.

Тяжелый ион аргона (белый шарик) разгоняется в электрическом поле и выбивает из мишени атом материала (красный шарик), который высаживается на поверхности подложки, образуя на ее поверхности пленку.

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

При столкновении ионов с поверхностью мишени происходит передача момента импульса материалу. Падающий ион вызывает каскад столкновений в материале. После многократных столкновений импульс доходит до атома, расположенного на поверхности материала, который отрывается от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса , которая зависит от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

Для эффективной ионизации аргона, распыляемый материал(мишень) размещают на магните. В результате эмиссионные электроны, вращающиеся вокруг магнитных силовых линий локализуются в пространстве и многократно сталкиваются с атомами аргона, превращая их в ионы.

При бомбардировке поверхности мишени ионами генерируются несколько процессов:

– ионное(катодное) распыление материала мишени,
– вторичная электронная эмиссия,
– десорбция газа,
– имплантация дефектов,
– ударная волна,
– аморфизация.

Магнетронное распыление позволяет получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже.

Преимущества:

– покрытия полученные данным способом характеризуются высокой равномерностью, относительно низкой пористостью и высоким уровнем адгезии к подложке,

– возможность нанесения покрытия сложного состава,

– возможность наносить покрытия на большие площади,

– относительно дешевый метод осаждения,

– низкие температуры подложки,

– хорошая однородность покрытия,

– хорошая управляемость,

– возможность нанесения нескольких покрытий в одном технологическом цикле.

Применение:

– в электронике: для осаждения тонких пленок, полупроводников, диэлектриков, металлов,

– в оптике: для нанесения проводящих, отражающих, поглощающих покрытий,

– в машиностроении: для нанесения специальных покрытий, улучшающих свойства используемых материалов,

– в легкой промышленности: для получения металлизированных тканей.

реактивное магнетронное распыление установка тонких пленок металлов аморфные сплавы
вакуумные установки метод мишень для магнетронного распыления
аргон в магнетронном распылении
метод магнетронного распыления для полимеров
магнетронное напыление ассестированное катодным распылением
мишень для магнетронного распыления молибденовая круглая

Читайте также: